Caractéristiques électriques des décharges en régime statique

Dans ce paragraphe nous présentons les caractéristiques U/I obtenues pour diverses valeurs de la distance inter-électrode et diverses valeurs de pression en cumulant plusieurs essais.

P = 100 mbar

Sur les figures 3.6 à 3.9 nous avons tracé les caractéristiques U/I pour P = 100 mbar et

d = 5, 15, 25 et 35 mm respectivement. Les transitions apparaissent dans la gamme 600 mA –

1400 mA.

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Pour une distance inter-électrode de 5 mm, après une forte diminution de la tension de décharge lors du passage de 10 mA à 50 mA, la tension de décharge se « stabilise » autour de 400 V et reste relativement peu dispersée. La zone de recouvrement des deux modes de fonctionnement résulte plutôt de l’accumulation des essais ( 30 essais) que de l’existence de transitions spontanées lors d’un essai. La faible dispersion dans les valeurs de tension résulte de la faible distance inter-électrode et du fait que la colonne d’arc et /ou de glow reste relativement immobile (observation en cinématographie rapide).

Figure 3.7 : Caractéristique U/I pour P = 100 mbar, d = 15 mm

D’une manière similaire à la figure 3.6, la courbe de la figure 3.7 tracée pour d = 15 mm l’a été à partir de plusieurs essais. On observe comme précédemment que pour des courants faibles (< 10 mA), la tension chute avec l’augmentation de l’intensité. Sur la gamme 10 mA – 600 mA, un seul type de décharge existe et il est caractérisé par une tension de l’ordre de 500 V (à 50 V près). On observe une seconde gamme de courant, de 600 mA à 1400 mA, pour laquelle existent deux modes de décharges caractérisés par deux niveaux de tension différents : l’un autour de 500 V et l’autre autour de 150 V. La courbe obtenue, présentant donc deux niveaux de tension distincts pour des même valeurs de courant correspond à l’accumulation des essais plus qu’à de réelles transitions spontanées bien que celles-ci existent et qu’elles aient été observées. Une troisième gamme de courant, I > 1500 mA, correspond à des niveaux de tension de l’ordre de 150 V et est attribuée à un régime d’arc électrique stable. On note toutefois la présence de décharge ayant des tensions de l’ordre de 450 V pour des courants élevés, i.e. 2500 mA environ. Ces décharges sont observées au

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moment de la transition forcée (instant de la commutation de l’interrupteur) mais il semble difficile d’en discuter l’origine exacte puisque ces transitions semblent être liées à la fois à l’alimentation du dispositif et aux processus physiques se produisant dans le plasma et aux électrodes. De ce fait, nous ne nous intéresserons pas à ces transitions dites forcées.

Figure 3.8 : Caractéristique U/I pour P = 100 mbar, d = 25 mm

Pour d = 25 mm, sur la figure 3.8, après une forte diminution de la tension de décharge lors du passage de 10 mA à 50 mA, la tension de décharge se « stabilise » également autour de 500 V (+ ou – 100 V). La transition se produit dans un intervalle de courant situé entre 500 et 900 mA. Pour un essai donné, on observe en général peu de transitions spontanées. La zone de recouvrement des deux modes de fonctionnement résulte là encore de l’accumulation des essais avec des transitions apparaissant pour des valeurs différentes de l’intensité et non de l’existence de transitions spontanées (à intensité constante) lors d’un même essai. Par ailleurs, on observe que les valeurs des tensions d’arc sont assez dispersées. Ceci résulte du fait qu’à ces valeurs de distance inter-électrode la colonne d’arc est loin d’être rectiligne et s’allonge souvent lors du déplacement du pied d’arc sur l’électrode et même sur les bords de l’électrode.

Les mêmes commentaires peuvent être faits pour une distance encore supérieure (d = 35 mm) dont on a donné une représentation de la caractéristique U/I sur la figure 3.9. De plus, à cette distance, on voit apparaître un état relatif à une décharge luminescente pour une valeur très élevée du courant et qui a également été observé à d = 15 mm. Cet état n’apparaît ni spontanément ni régulièrement. Il est fortement lié au moment de l’application de l’impulsion de courant. Lors de cette transition forcée (c'est-à-dire qui est liée à l’augmentation brutale de

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l’intensité du courant), la décharge peut ainsi garder un état « luminescent » pendant plusieurs millisecondes avant de transiter.

Figure 3.9 : Caractéristique U/I pour P = 100 mbar, d = 35 mm

On note aussi que, d’une façon générale, plus la distance inter-électrodes est grande plus la gamme de courant pour laquelle sont observées des décharges de glow et des arcs électriques est étendue. C’est ce qui est présenté dans le tableau 3.1.

d (mm) Gamme de courant où l’on observe

glow et arc

5 600 mA – 1000 mA

15 600 mA – 1500 mA

25 500 mA – 900 mA

35 750 mA – 2300 mA

Tableau 3.1 : Plages de courant dans lesquelles sont observés des décharges de glow et des arcs

électriques pour d = 5, 15, 25, 35 mm.

P = 500 mbar

Sur les figures 3.10 et 3.11 nous présentons les caractéristiques U/I pour P = 500 mbar et d = 5, 15 mm respectivement. Les transitions apparaissent pour des intensités plus faibles que précédemment à partir de 300 mA - 400 mA.

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Figure 3.10 : Caractéristique U/I pour P = 500 mbar, d = 5 mm

Figure 3.11 : Caractéristique U/I pour P = 500 mbar, d = 15 mm

La zone de recouvrement des deux types de décharges a diminué puisqu’au-delà de 600 mA seul l’arc électrique est observable. Il est par ailleurs intéressant de souligner que des transitions à caractère « continu » ont été observées pour d = 15 mm. Ceci se traduit sur la figure 3.11 par l’existence d’une branche qui relie les deux caractéristiques séparées de décharge luminescente et d’arc électrique. Une telle évolution est aussi illustrée par la figure 3.12 en donnant les caractéristiques U(t) et I(t). Cette évolution a été systématiquement observée par Gambling et al.¹⁹ dans l’hydrogène pour des électrodes en tungstène alors qu’ils ont observé dans l’air une transition discontinue aussi bien pour le cuivre que pour le

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tungstène¹⁵. Jusqu’à présent, nous attribuons la remontée continue de la tension à un mouvement de l’arc et à un allongement de la colonne.

Figure 3.12 : Exemple de caractéristique U(t) (en jaune) et I(t) (en vert) dans le cas d’une transition continue – 2

ms/div, 125 mA /div, 125 V/div.

P = 900 mbar

Figure 3.13 : Caractéristique U/I pour P = 900 mbar, d = 3 mm

Les résultats obtenus pour une pression de 900 mbar, présentés sur la figure 3.12, se rapprochent de ceux obtenus aux autres pressions. La zone de recouvrement des décharges de glow et des arcs s’étend jusqu’à une valeur du courant d’environ 400 mA à cette pression. On note qu’il existe aussi à cette pression des transitions dites continues entre glow et arc, c’est-à-dire sans rupture de la caractéristique U/I même si elles sont peu nombreuses. Toutefois, deux branches peuvent être distinguées même si le niveau de courant maximum pour lequel on

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trouve les deux types de décharges est plus faible que pour les autres distances considérées. Gambling et al.¹⁵ ont observé dans l’air à pression atmosphérique des caractéristiques U/I sans gamme de courant dans laquelle peuvent exister un régime de glow et un régime d’arc. L’intensité pour laquelle la transition a été systématiquement observée est d’environ 500 mA.

Il est à noter que pour P = 900 mbar, la tension de disruption de l’air est élevée et l’alimentation du dispositif expérimental ne permet pas d’atteindre ces niveaux de tension pour des distances importantes (> 5 mm) ; on rappelle que le champ disruptif de l’air à pression atmosphérique est d’environ 3,2.10⁶ V.m^-1. C’est la raison pour laquelle seuls des résultats à d = 3 mm sont présentés à cette pression.

2.4 Commentaires et conclusion partielle (transition dans l’air avec des